金屬亞表面腐蝕缺陷的脈沖調制渦流磁場梯度成像

閆　貝，李　勇,2，李　達，李一力，陳振茂,2，王　鈞

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室， 西安 710049；

2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心， 西安 710049；

3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司， 西安 710075)

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金屬亞表面腐蝕缺陷的脈沖調制渦流磁場梯度成像

閆貝1，李勇1,2，李達1，李一力1，陳振茂1,2，王鈞3

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室， 西安 710049；

2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心， 西安 710049；

3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司， 西安 710075)

摘要：由于工況復雜，在役金屬構件極易產生亞表面腐蝕缺陷，嚴重影響其安全運行。脈沖調制渦流檢測技術是一種新型脈沖渦流檢測技術。相較傳統脈沖渦流檢測技術,其在金屬構件缺陷檢測和評估中具有優勢;將其與磁場梯度測量技術有效結合，探究其在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中的成像方法和技術優勢。通過有限元分析，發現相較脈沖渦流磁場梯度信號，脈沖調制渦流磁場梯度信號對金屬亞表面腐蝕缺陷邊緣識別具有更高的靈敏度。并且，搭建了相關試驗系統，通過試驗驗證了仿真分析結論。試驗結果表明，脈沖調制渦流磁場梯度檢測信號對金屬構件亞表面腐蝕缺陷成像具有更高的精度，有利于缺陷的檢測。

關鍵詞：脈沖調制渦流檢測；磁場梯度測量；亞表面腐蝕缺陷；缺陷成像

傳統脈沖渦流檢測技術[1-3](PEC)采用方波作為激勵信號，在一次激勵時可獲得較多的檢測信息，因此其檢測效率較高，在多個工業領域應用廣泛。然而最近的研究表明,脈沖渦流檢測技術存在一定的不足之處：方波激勵信號能量主要集中于無法感應產生渦流場的直流成分和感應產生渦流場強度較弱的低頻諧波成分，從而導致出現渦流場對金屬構件缺陷響應較弱、檢測系統信噪比較差[4]的問題。為了解決方波激勵信號的能量分配問題，筆者提出了基于脈沖調制波[5-6]激勵的新型脈沖渦流檢測技術，即脈沖調制渦流檢測技術(PMEC)，該技術避免了方波激勵信號直流成分和低頻諧波成分占據大部分激勵能量的弱點，同時能夠對激勵能量進行有效分配，可有效改善對金屬構件缺陷的響應，并提高金屬構件缺陷檢測靈敏度。

磁場梯度測量技術[7-9]是一種測量磁場在空間的變化率和擾動的有效方法，在超導量子干涉儀以及醫學核磁共振成像等多個領域有著廣泛應用，具有對微觀磁場變化提取靈敏度高等優勢。筆者將脈沖調制渦流技術與磁場梯度測量技術相結合，基于退化磁矢位法(AR法)[10]進行有限元仿真，分析其對金屬亞表面腐蝕缺陷邊緣識別的高靈敏度，并通過試驗進行了驗證，同時探究了脈沖調制渦流技術結合磁場梯度測量技術在金屬亞表面腐蝕缺陷成像中的應用和高靈敏度。

1仿真研究

1.1基于AR法的有限元仿真模型

目前的脈沖調制渦流檢測仿真多采用商業有限元軟件，這對計算設備的性能要求高，而且計算效率較低。筆者開發的AR法具有高精度和高效率的特點。因此，為了提高計算效率，筆者采用AR法進行有限元仿真，對原有脈沖渦流檢測仿真模型[11-13]進行修改和補充，以建立脈沖調制渦流檢測有限元計算模型。在AR法中，脈沖調制渦流檢測激勵信號可通過時域的正弦載波信號與方波調制波信號相乘得出，其表達式為：

(1)

式中:ωc與ωm分別為載波角頻率和調制波角頻率；In為脈沖調制激勵電流信號幅值。

則脈沖調制渦流磁場信號表達式為：

(2)

式中:Bn為磁場頻域響應信號。

磁場在不同空間位置上的變化率可由磁場梯度信號來體現，對不同空間位置的脈沖調制渦流信號做差可得磁場梯度信號：

(3)

式中：I1n，B1n和I2n，B2n分別為不同位置處脈沖調制激勵電流信號幅值和磁場頻域響應信號。

1.2仿真結果與討論

為了研究脈沖調制渦流磁場梯度信號對缺陷邊緣的識別靈敏度，建立了如圖1所示的有限元仿真模型。

圖1　脈沖調制渦流檢測腐蝕缺陷三維有限元模型

在該模型中，激勵線圈和兩個磁場傳感器組成了檢測探頭，激勵線圈為盤式線圈，其外徑為11 mm，內徑為8 mm，高為10 mm，匝數為400，設計提離為0.5 mm；激勵線圈內部中心放置了兩個高度不同的磁場傳感器A、B，設計提離分別為0.5,5.5 mm。測試試件材料為鋁，其電導率為34 MS·m-1，尺寸為200 mm×200 mm×6 mm，設定缺陷為下表面裂紋，其尺寸為20 mm×20 mm×4 mm。

設定脈沖調制渦流/脈沖渦流的激勵電流信號峰值為0.5 A、占空比為0.5，脈沖渦流激勵電流信號基頻f與脈沖調制渦流調制波頻率fm為100 Hz，脈沖調制渦流載波頻率fc為1 kHz。

檢測探頭緊密貼附于試件表面，以缺陷中心為坐標原點，沿y軸正向對試件進行掃描。掃描起始位置為y=-20 mm，掃描路徑長度為40 mm，掃描間隔為2 mm，掃描點數總計為21。傳感器A、B同時采集磁場z方向分量，對其信號做差可得磁場梯度信號。以各自無缺陷處信號為基準作差，將可得脈沖調制渦流/脈沖渦流磁場梯度差分信號。以檢測信號峰值作為特征，得到歸一化后的亞表面腐蝕缺陷掃查曲線如圖2所示;可見，隨著探頭向缺陷中心靠近，掃查信號歸一化峰值增大，并在缺陷中心時達到最大值。

圖2　歸一化后的亞表面腐蝕缺陷掃查曲線

為了方便比較對缺陷邊緣識別的靈敏度(歸一值)，對歸一化后的亞表面腐蝕缺陷掃查曲線求取導數，結果如圖3所示；可見，在缺陷的邊緣處(y=±10 mm)，脈沖調制渦流磁場梯度信號峰值具有更高的變化率，證明了脈沖調制渦流磁場梯度信號更有利于缺陷邊緣的識別。

圖3　亞表面腐蝕缺陷掃查曲線靈敏度

2試驗過程

2.1脈沖調制渦流/脈沖渦流雙檢測試驗系統

為了進一步驗證仿真結論，在仿真研究的同時進行了相關試驗研究。文章搭建了一試驗系統,其框圖如圖4所示，該系統可實現脈沖調制渦流/脈沖渦流磁場梯度檢測。試驗系統主要包括了檢測探頭(激勵線圈和兩個磁場傳感器)、信號發生器(Tektronix AFG3022C)、功率放大器、濾波放大器、高速數據采集卡和計算機。其中，激勵線圈的參數如下：內徑9.1 mm，外徑11.05 mm，高26.26 mm，匝數1 175，線徑0.2 mm。在激勵線圈中心位置放置兩個TMR(隧道磁電阻)磁傳感器(Multi Dimension MMLP57F)[14]，其中傳感器B提離為2 mm，傳感器A提離為7 mm，對傳感器A與傳感器B所拾取的磁場信號作差可得磁場梯度信號。

圖4　脈沖調制渦流/脈沖渦流雙檢測試驗系統框圖

信號發生器產生頻率為100 Hz的脈沖渦流激勵信號和調制波頻率為100 Hz、載波頻率為1 kHz的脈沖調制渦流激勵信號，將幅值為0.3 V的激勵信號放大10倍之后驅動激勵線圈工作。TMR傳感器采集脈沖調制渦流/脈沖渦流磁場梯度差分信號(以試件無缺陷處信號為基準做差)，檢測信號經過濾波器進行截止頻率為30 kHz的低通濾波，并通過信號放大器放大10倍，然后輸入高速數據采集卡(ADLINK PCI-9812)進行采集和數字化，最后通過LabVIEW實現對采集信號的處理和分析。試驗中所采用的試件和探頭掃描路徑示意如圖5所示，為了模擬金屬構件亞表面腐蝕缺陷，在200 mm×200 mm×6 mm的鋁板下表面加工了尺寸為20 mm×20 mm×4 mm的人工腐蝕缺陷。

圖5　檢測試件和探頭掃描路徑示意

2.2試驗結果及分析

試驗中，檢測探頭緊貼試件表面，沿圖5所示掃描路徑對試件進行掃描。x軸方向從原點掃描至x=20 mm處，掃描間隔為2 mm；y軸方向從原點掃描至y=20 mm處，掃描間隔為2 mm。根據結構的對稱性，可得到40 mm×40 mm范圍內21×21個掃描點信號。

在x=0 mm處探頭沿y軸掃查得到信號歸一化峰值-探頭位置曲線如圖6所示，可見，隨著探頭向缺陷中心靠近，脈沖調制渦流磁場梯度信號和脈沖渦流磁場梯度信號歸一化峰值均增大，且在缺陷中心時達到最大值。

圖6　歸一化后的亞表面腐蝕缺陷掃查曲線

對信號歸一化峰值-探頭位置曲線求取導數，結果如圖7所示,可見，在缺陷的邊緣處(y=±10 mm)，脈沖調制渦流磁場梯度信號峰值具有更高的變化率，證明了脈沖調制渦流磁場梯度信號更有利于缺陷邊緣的識別，該結論與仿真結果一致。

圖7　亞表面腐蝕缺陷掃查曲線靈敏度

圖8　脈沖調制渦流、脈沖渦流磁場梯度信號缺陷成像圖

如果試驗中掃描點個數較少，會導致缺陷成像的分辨率較低。故，為了提高缺陷成像[15]的分辨率，對掃查信號歸一化峰值矩陣進行三次樣條差值處理，增加其元素個數，從而提高了缺陷成像的分辨率。圖8是成像結果，實線顯示了腐蝕缺陷的輪廓。

為了更為直觀地顯示成像效果，對上述成像圖進行閾值處理：設定閾值為0.8，即歸一化峰值矩陣中大于或等于0.8的元素賦值為0，小于0.8的元素賦值為1，缺陷處像素值為0(黑色)，背景像素值為1(白色)，圖9是經過閾值處理的最終成像結果，實線顯示了腐蝕缺陷的輪廓。

圖9　閾值處理后的脈沖調制渦流、脈沖渦流磁場梯度信號缺陷成像圖

由以上缺陷成像可知，脈沖調制渦流磁場梯度信號可對金屬亞表面腐蝕缺陷進行高效成像，脈沖調制渦流磁場梯度檢測可以實現對金屬亞表面腐蝕缺陷的高精度成像。

3結論

(1) 基于AR法，建立了相關的有限元模型，對腐蝕缺陷掃查進行了仿真。靈敏度分析表明了結合磁場梯度測量的脈沖調制渦流檢測技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷邊緣識別中具有優勢。

(2) 開發了脈沖調制渦流/脈沖渦流雙檢測試驗系統。試驗驗證了結合磁場梯度測量的脈沖調制渦流檢測技術在亞表面腐蝕缺陷邊緣識別應用中的優勢。同時通過成像技術發現，結合磁場梯度測量的脈沖調制渦流檢測技術在金屬亞表面腐蝕缺陷成像中具有較高的精度。

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Gradient-magnetic-field-measurement-based PMEC for Imaging of Metal Subsurface Corrosion

YAN Bei1, LI Yong1,2, LI Da1, LI Yi-li1, CHEN Zhen-mao1,2, WANG Jun3

(1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China;2.Research Centre for Inspection and Evaluation of Nuclear Structural Integrity, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China;3.Xi′an Brake Branch, AVIC Aircraft Co., Ltd., Xi′an 710075, China)

Abstract：Metallic structures are subject to subsurface corrosion due to rigorous environment. As a new inspection technique extended from Pulsed Eddy Current technique (PEC), Pulsed-modulation-based Eddy Current technique (PMEC) has been found advantageous over PEC in evaluation of conductive structures with defects. In this paper, PMEC integrated with Gradient Magnetic Field Measurement (GMFM), namely GMFM-based PMEC is proposed particularly for subsurface corrosion imaging. Through simulations, the advantages of GMFM-based PMEC for defect imaging of subsurface corrosion are investigated. A series of experiments have been conducted in a bid to verify the conclusion drawn from simulations. Through simulations and experiments, GMFM-based PMEC can carry out the imaging with high accuracy for subsurface corrosion.

Key words:Pulsed-modulation-based eddy current technique; Gradient magnetic field measurement; Subsurface corrosion; Defect imaging

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0010-05

DOI:10.11973/wsjc201604003

作者簡介：閆貝(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電磁無損檢測理論與試驗。通信作者：李勇，男，副教授，研究方向為結構完整性和裝備安全理論與技術，E-mail: yong.li@mail.xjtu.edn.cn。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51477127)

收稿日期：2015-07-30